智能表時鐘超差原因分析及可靠性設(shè)計探討

趙勇

摘要：時鐘準(zhǔn)確性對于智能表至關(guān)重要，本文結(jié)合單相智能表的一種實現(xiàn)方案，主要從硬件方面分析了影響時鐘準(zhǔn)確性的主要因素，探討了增強時鐘可靠性的一些實用措施。

關(guān)鍵詞：智能表；RTC；可靠性

一、引言

智能電能表的安裝使用是智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，時鐘超差已成為智能表故障的首要原因。本文主要從硬件設(shè)計方面，結(jié)合具體電表實現(xiàn)方案，分析了影響時鐘準(zhǔn)確性的主要因素，探討了增強時鐘可靠性的具體措施，對實際智能表的設(shè)計和生產(chǎn)具有一定參考意義。

二、影響時鐘準(zhǔn)確性的因素分析

時鐘超差分為偏差和跳變，其中跳變又可分為亂碼、歸零、飛走、遲滯、停走5種情況。影響時鐘準(zhǔn)確性的因素主要有：晶振精度、Li/SOCl2電池電壓滯后問題、I2C總線接口、噪聲干擾問題4個方面。下面結(jié)合一些典型元器件作具體分析。

1.晶振精度

絕大部分RTC都需要從32.768kHz晶振中獲取1Hz的時鐘信號，影響晶振精度的環(huán)境因素有

1.1溫度

溫度是影響晶振精度最主要的因素，在整個溫度范圍內(nèi)晶振精度呈拋物線型。

隨著溫度的上升/下降，晶振會產(chǎn)生幾十PPM的頻偏。

1.2老化

不同工藝生產(chǎn)的晶振老化程度有所不同，具體可參見產(chǎn)品手冊，如EPSON C-005R，第一年因老化引起的最大頻偏為±3PPM。

1.3負(fù)載電容

包括外接的負(fù)載電容和PCB寄生電容，負(fù)載電容是晶振廠商規(guī)定的參數(shù)，通常以pF為單位，匹配不當(dāng)?shù)呢?fù)載電容可導(dǎo)致上百PPM的誤差，

2.Li/SOCl2電池電壓滯后問題

Li/SOCl2電池由于具有自放電率低、使用溫度范圍寬廣、工作電壓平穩(wěn)、貯存時間長、能夠連續(xù)供電電流小和短時脈沖電流等優(yōu)點，作為RTC備用電池已在電能表中廣泛使用。但Li/SOCl2電池由于自身的特性，在長期未放電時容易在鋰電極表面生成鈍化膜從而引起電壓滯后問題，在主電源掉電的瞬間，備用電池?zé)o法及時提供RTC所需的電壓電流，導(dǎo)致RTC不能正常工作，內(nèi)部計時寄存器數(shù)據(jù)丟失。

3.I2C總線接口

一般RTC采用I2C總線作為外部訪問接口，在電表實際應(yīng)用中，往往是作為從設(shè)備和其他多個器件（如EEPROM、LCD驅(qū)動等）同時掛接在一條總線上，正常情況下，主設(shè)備通過不同地址正確訪問從設(shè)備，在某些異常情況下，I2C總線會出現(xiàn)鎖死現(xiàn)象，如果此時讀取RTC數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生異常。

4.噪聲干擾問題

RTC的晶振輸入端易受到噪聲干擾而導(dǎo)致時鐘異常。通常RTC晶振輸入端有非常高的輸入阻抗，PCB上大部分的信號都比晶振32.768Hz的頻率要高很多，這些信號產(chǎn)生的尖峰噪聲，很容易耦合到晶振輸入端，導(dǎo)致時鐘飛走。

三、可靠性設(shè)計探討

1.保證晶振精度設(shè)計

1.1負(fù)載電容的選取

每個晶振都有所要求的負(fù)載電容（CL）才能實現(xiàn)精確的震蕩頻率，負(fù)載電容CL主要由外部調(diào)節(jié)電容（C1、C2）和PCB寄生電容（CS）組成，三者之間的關(guān)系可表示為：CL= （C1×C2）/（C1+C2）+ CS，PCB布線合理時CS一般取典型值3～5pF，CL為廠商要求的值（32.768kHZ典型值為6pF、12.5 pF），根據(jù)以上公式可以計算出C1、C2的大小。確定電容大小后，在精度和材質(zhì)上最好選取為±5的COG電容，以減小電容誤差和溫漂對晶振精度的影響。在實際確定CL時，往往需要借助時鐘分析儀或示波器以獲得精確的匹配。

1.2提供準(zhǔn)確的溫度補償

對晶振精度影響最大的因素是溫度，如上文計算：如要滿足國網(wǎng)規(guī)范要求的時鐘精度，RTC晶振在參比溫度下頻偏應(yīng)小于±5PPM，全溫度下應(yīng)小于±12PPM。即使采用市場上精度較高的±5PPM的晶振，在全溫度下也不能滿足國網(wǎng)規(guī)范要求，必須采用溫度補償。

目前智能表時鐘采用的溫度補償方案主要有兩種：1.采用集成溫度補償功能專用RTC，如RX-8025T，DS3231等，此類RTC內(nèi)部集成有溫補晶振（TCXO），在溫度變化時可以對晶振頻偏進(jìn)行自動補償；2.使用MCU（如FM3308）內(nèi)嵌的實時時鐘模塊，此類MCU一般還具有溫度測量功能，使用時通過一定的軟件算法自行實現(xiàn)溫度補償。

2.改善Li/SOCl2電池電壓滯后問題

改善由于Li/SOCl2電池電壓滯后導(dǎo)致的時鐘異常問題，可以有以下一些方法：

2.1電池選型

Li/SOCl2電池電壓滯后現(xiàn)象是由于自身特性造成的，目前還無法避免。部分廠家通過研究，采用特殊的生產(chǎn)工藝或者添加某些活性物質(zhì)，有效的延長了鈍化膜的形成時間，減小了鈍化膜的密度和厚度，在一定程度上改善了Li/SOCl2電池電壓滯后現(xiàn)象。在電池選型時可以考慮選擇這些廠家的產(chǎn)品。

2.2并聯(lián)超級電容

超級電容不存在電壓滯后現(xiàn)象，將超級電容與電池并聯(lián)使用能有效的解決Li/SOCl2電池電壓滯后問題。

3.I2C總線可靠性設(shè)計

當(dāng)將RTC與其他器件在一起使用時，容易造成訪問異常，因此在智能表方案設(shè)計時盡可能使RTC使用獨立的I2C總線，如選擇多I2C接口的MCU、使用軟件模擬實現(xiàn)I2C、選用相同功能接口不同的器件等。如確實無法分開RTC時，需注意以下幾點：

3.1.1上拉電阻RP的確定

為了獲得穩(wěn)定可靠的I2C通信，在多從設(shè)備一起使用時需要準(zhǔn)確的計算上拉電阻的大小。

3.1.2鎖死退出

I2C總線出現(xiàn)鎖死，根本原因在于當(dāng)從設(shè)備SDA輸出數(shù)據(jù)為低電平時，SCL突然復(fù)位失去了時鐘信號，如果此時由主設(shè)備模擬產(chǎn)生SCL信號，使得從設(shè)備能夠完成數(shù)據(jù)輸出，I2C總線自然也就退出鎖死狀態(tài)。由主設(shè)備模擬產(chǎn)生SCL信號，前提是MCU的SCL接口能夠單獨控制且可配置為GPIO，具體實現(xiàn)時需模擬產(chǎn)生9個時鐘脈沖。

4.提高RTC振蕩電路抗噪聲干擾設(shè)計

通過PCB元器件合理布局和走線，使得RTC振蕩電路盡量離開噪聲源和減少耦合路徑，具體方法可參考文獻(xiàn)[2]，[2]中詳細(xì)給出了RTC合理布局及走線注意事項，此處不再累述。

四、總結(jié)

本文主要是從硬件方面進(jìn)行分析和探討的，實際影響RTC時鐘準(zhǔn)確性的因素還有很多，軟件方面如RTC操作方法、I2C軟件模擬時序、數(shù)據(jù)校驗方式等，生產(chǎn)工藝方面有晶振焊接溫度和時間、超聲波清洗、PCB加涂“三防漆”等，應(yīng)急措施方面如通過MCU自身定時器建立備份時鐘，定時和RTC同步，一般情況下以RTC時鐘為準(zhǔn)，異常時，用備份時鐘恢復(fù)RTC時鐘，或者采用擦寫次數(shù)較多的FRAM定時存儲RTC時鐘，發(fā)生異常時，用存儲時鐘恢復(fù)RTC時鐘等。

參考文獻(xiàn)

[1]王幸之、王雷等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電磁干擾與抗干擾技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.2006

[2]ST AN2867.Oscillator design guide for ST microcontrollers. STMicroelectronics 2010

[3]侯喆、何凱.由于IIC總線鎖死引起的保護(hù)裝置異常的問題分析.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 2010/4

[4]I2C總線技術(shù)規(guī)范.廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司

[5]EPSON RX-8025T器件手冊.ESPON TOYOCOM

[6]Seiko Epson Miniature Cylindrical Quartz Crystals Datasheet. Seiko Epson

[7]MAXIM DS3231 Datasheet. Maxim